大偏壓連拱隧道洞口段設(shè)計(jì)

1、大偏壓連拱隧道洞口段設(shè)計(jì)摘要 本文結(jié)合邵三高速公路龍峰溪隧道，提出了連拱隧道在地形斜交情況下“一明一暗”的設(shè)計(jì)思路，介紹“一明一暗”連拱隧道設(shè)計(jì)的主要計(jì)算模擬過(guò)程。為山區(qū)高速公路大偏壓連拱隧道洞口設(shè)計(jì)提供了一種新方法。關(guān)鍵詞 連拱隧道 偏壓 “一明一暗”設(shè)計(jì)思路1前言龍峰溪隧道屬“福銀”國(guó)道主干線邵三高速公路上的連拱隧道，是我省首座采用“一明一暗”進(jìn)洞設(shè)計(jì)和施工的連拱隧道。龍峰溪隧道進(jìn)口段山體等高線與隧道軸線交角很小，地勢(shì)陡峭（圖1），為減少削坡高度，避免形成高邊坡、仰坡，采用“一明一暗”進(jìn)洞方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。為偏壓連拱隧道貫徹“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則提供一種新的設(shè)計(jì)思路。圖1 龍峰溪隧道進(jìn)口地形

2、2工程概況2.1自然條件邵三高速公路龍峰溪隧道位于沙縣夏茂白溪國(guó)有林場(chǎng)附近，該隧道地處丘陵區(qū)，隧道區(qū)地形起伏較大，進(jìn)出口地面橫度約25°，自然斜坡穩(wěn)定，植被較發(fā)育。2.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)龍峰溪隧道穿越一獨(dú)立的小山體，地層單一，表層為殘坡積亞粘土層，下伏基巖為為燕山期早期侵入花崗巖。隧道區(qū)除基巖的風(fēng)化裂隙外，未見(jiàn)任何構(gòu)造痕跡。隧道洞身圍巖以、類為主，洞口段覆蓋層較厚，圍巖類別為、類。隧道區(qū)地下水主要為殘坡積土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化中孔隙潛水及基巖裂隙水，孔隙潛水埋深在砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層的中下部，水量較小且水量隨季節(jié)變化，出口東側(cè)分布一小沖溝，水量較小，雨季施工時(shí)應(yīng)考慮隔水及排水措施，未見(jiàn)基巖裂隙

3、水明顯活動(dòng)跡象。3隧道設(shè)計(jì)概況龍峰溪隧道為雙向四車道連拱隧道，隧道建筑限界按80km/h行車速度確定（圖2）。隧道內(nèi)輪廓采用單心圓形式，邊墻、中墻均為曲墻。圖2 龍峰溪隧道凈空斷面（單位：cm）隧道位于平曲線內(nèi)，平曲線半徑為2500m，進(jìn)口樁號(hào)K98+500，設(shè)計(jì)高：330.39m，出口樁號(hào)K98+750，設(shè)計(jì)高：323.56m，縱坡為-2.648，全長(zhǎng)250m。4“一明一暗”洞口段設(shè)計(jì)4.1進(jìn)洞段設(shè)計(jì)思路確定偏壓的連拱隧道成洞面時(shí)，常規(guī)做法是以靠山體外側(cè)的洞室能安全進(jìn)洞為前提，按一定角度斜交設(shè)置左右洞的成洞面，以盡量降低山體內(nèi)側(cè)邊仰坡的開(kāi)挖高度。龍峰溪隧道受平面線位限制，隧道進(jìn)口位于偏壓嚴(yán)重

4、的陡坡上，右洞軸線與山體等高線接近平行，且左洞地形陡峭(圖3)，如果按照常規(guī)方法進(jìn)洞，勢(shì)必會(huì)造成山體內(nèi)側(cè)大挖大刷，雖然可以保證邊仰坡的穩(wěn)定，但存在開(kāi)挖工程量大、占地大、破壞自然景觀等缺點(diǎn)，這與“零進(jìn)洞”和避免洞口“大挖大刷”的環(huán)保理念相違背。 圖3  龍峰溪隧道進(jìn)口平面圖 為貫徹“零”開(kāi)挖的設(shè)計(jì)新理念，受龍峰溪隧道進(jìn)口的地形的制約，降低進(jìn)口左側(cè)邊、仰坡高度的最佳方案是將左洞進(jìn)口成洞面設(shè)置在K98+510，可有效控制左洞邊、仰坡的開(kāi)挖高度；同時(shí)，為確保右洞成洞安全，右洞進(jìn)口成洞面設(shè)置在K98+523，即進(jìn)口左右洞的成洞面位置錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，左右洞成洞面錯(cuò)位13m。這就造成

5、K98+510K98+523段左洞設(shè)計(jì)為暗洞，而右洞必須采用明洞與左暗洞相連接，形成“一明一暗”雙連拱隧道設(shè)計(jì)方案。雖然“一明一暗”雙連拱隧道設(shè)計(jì)方案能夠克服常規(guī)設(shè)計(jì)方案洞口邊、仰坡高度高、占地面積大、對(duì)自然景觀破壞嚴(yán)重的缺點(diǎn)，但是，“一明一暗”雙連拱隧道設(shè)計(jì)方案存在右明洞開(kāi)挖造成左暗洞右側(cè)圍巖覆蓋層薄及中隔墻要承受較大的偏壓?jiǎn)栴}。因此，“一明一暗” 設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵在于確保左暗洞周邊圍巖及右明洞左側(cè)臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定，并盡可能改善中隔墻的偏壓。針對(duì)這一設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)時(shí)采用“先明后暗”施工方案，對(duì)明洞左側(cè)臨時(shí)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索（十字面板）、22（L=4.5m）錨桿進(jìn)行加固防護(hù)，左暗洞采用108長(zhǎng)管棚

6、預(yù)支護(hù)，以確保暗洞周邊圍巖的穩(wěn)定性，并及時(shí)對(duì)明洞進(jìn)行回填反壓，盡量改善中隔墻的偏壓。4.2設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)及施工步驟龍峰溪隧道進(jìn)口段為類圍巖，且地形嚴(yán)重偏壓，左暗洞支護(hù)參數(shù)按連拱隧道類圍巖大偏壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，其初期支護(hù)主要參數(shù)如表1。表1 初期支護(hù)主要參數(shù) 二次襯砌采用整體式大模板泵送防水砼，砼設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C25，左暗洞二襯厚度0.55m，右明洞二襯厚度0.65m，每延米斷面上下層各配置5根25mm鋼筋。施工步驟（圖4）：（1）中導(dǎo)洞超前支護(hù)及開(kāi)挖中導(dǎo)洞；（2）中導(dǎo)洞初期支護(hù)；（3）澆筑中隔墻；（4）中隔墻右側(cè)工字鋼支撐；（5）施工左洞長(zhǎng)管棚注漿及開(kāi)挖左洞上半斷面，留核心土；（6）左洞上半斷面

7、初期支護(hù)；（7）開(kāi)挖左洞上半斷面核心土及下半斷面并拆除中導(dǎo)洞左側(cè)支護(hù)；（8）左洞下半斷面初期支護(hù)；（9）右明洞上半部分開(kāi)挖；（10）右明洞左側(cè)上部邊坡加固；（11）右明洞下半部分開(kāi)挖，留核心土；（12）右明洞左、右側(cè)剩余部分邊坡支護(hù),施工右洞大管棚注漿并拆除中導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)；（13）澆筑右明洞拱墻部分；（14）右明洞右側(cè)拱腳回填；（15）開(kāi)挖右明洞核心土；（16）澆筑右明洞仰拱；（17）澆筑左洞仰拱；（18）施工左洞防水層及二襯；（19）施工右明洞防水層、明洞頂回填。圖4 龍峰溪隧道進(jìn)口施工順序圖 4.3圍巖穩(wěn)定分析及初支應(yīng)力計(jì)算為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，有必要分析施工步驟對(duì)圍巖穩(wěn)定性

8、的影響及初支的受力情況。選取進(jìn)口段的典型斷面K98+515作為計(jì)算截面（圖5）；選用同濟(jì)曙光巖土及地下工程設(shè)計(jì)與施工分析軟件GeoFBA V3.0對(duì)圍巖進(jìn)行穩(wěn)定分析，并計(jì)算初支應(yīng)力。圖5 龍峰溪隧道進(jìn)口計(jì)算斷面圖  計(jì)算范圍及有限元網(wǎng)格計(jì)算選取范圍，上邊界按橫斷面取地表自由面，左右邊界距離大于單洞開(kāi)挖寬度的3倍，下邊界至開(kāi)挖洞底的距離大于3倍的洞高。 單元?jiǎng)澐肿裱韵略瓌t：?jiǎn)卧吔鐒澐衷诓牧戏纸缑婕伴_(kāi)挖分界線上；單元?jiǎng)澐植捎脙?nèi)密外疏劃分；一個(gè)單元內(nèi)邊長(zhǎng)不能過(guò)于懸殊；單元節(jié)點(diǎn)要布置在荷載及錨桿的端點(diǎn)。網(wǎng)格劃分如圖6所示，實(shí)施施工步驟后的網(wǎng)格如圖7所示。圖6 初始二維有限元網(wǎng)格圖

9、0;圖7 最終二維有限元網(wǎng)格圖  隧道圍巖及支護(hù)材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料揭露，隧道進(jìn)口段地層自地表向下劃分為坡積亞粘土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖。各圍巖材料的主要參數(shù)見(jiàn)表2。表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表 計(jì)算上根據(jù)等效剛度截面換算原則將截面換算為單一材料截面進(jìn)行數(shù)字模擬分析。換算后各材料截面的主要參數(shù)見(jiàn)表3。表3支護(hù)主要參數(shù)表  計(jì)算分析經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，隧道洞周圍巖屈服接近度如圖8所示，圍巖屈服接近度大于1的單元僅出現(xiàn)在左洞拱頂右側(cè)，即右明洞的臨時(shí)開(kāi)挖邊坡內(nèi)側(cè)，共9個(gè)單元，最大屈服接近度為3.59。一般認(rèn)為，圍巖屈服接近度大于1，則圍巖單元屈服，由于僅右明洞臨時(shí)開(kāi)挖邊坡的

10、部分單元出現(xiàn)屈服接近度大于1的情況，因此，對(duì)明洞臨時(shí)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索（十字面板）加固后，可判定隧道洞周圍巖基本穩(wěn)定。圖8 圍巖屈服接近度云圖為了進(jìn)一步判斷圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)洞周圍巖的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算表明在弱風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化圍巖中其最小主拉應(yīng)力均小于容許的巖體容許拉應(yīng)力，僅在土層中4個(gè)圍巖單元，即在左洞中墻上部的少數(shù)單元出現(xiàn)最大為0.6kPa拉應(yīng)力，因此只要初期支護(hù)強(qiáng)度能夠滿足要求，就能確保隧道圍巖的穩(wěn)定。隧道洞身初支強(qiáng)度能否滿足要求，對(duì)洞身的穩(wěn)定起著決定性的作用，因此有必要對(duì)左暗洞初支進(jìn)行內(nèi)力分析，根據(jù)對(duì)左暗洞初期支護(hù)軸力(圖8)和彎矩（圖9）的分析結(jié)果表明，左洞初支的最大壓應(yīng)力均小于砼的容

11、許壓應(yīng)力，而最大拉應(yīng)力僅出現(xiàn)在拱頂右側(cè)處，其值為532.06kPa；而C20濕噴鋼纖維砼的容許拉應(yīng)力為1.0MPa，故可判定左暗洞初支強(qiáng)度滿足要求。圖8 軸力圖（KN）圖9 彎距圖（KNM）根據(jù)以上的理論分析，并結(jié)合工程類比，設(shè)計(jì)采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的，施工方法也是可行的。在確認(rèn)左暗洞圍巖穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足要求的基礎(chǔ)上，對(duì)右明洞結(jié)構(gòu)采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行驗(yàn)算。明洞驗(yàn)算根據(jù)平面彈性有限元原理，把明洞結(jié)構(gòu)離散為由梁?jiǎn)卧M成的平面桿系，回填土對(duì)結(jié)構(gòu)的作用通過(guò)只受壓不受拉的法向桿單元來(lái)模擬。計(jì)算取明洞襯砌厚度65cm，洞頂回填土平均厚度為3.5m。荷載根據(jù)現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD704-2004）確

12、定，并考慮混凝土的收縮徐變，計(jì)算得出各單元的內(nèi)力，再用各單元內(nèi)力組合進(jìn)行襯砌配筋計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，配筋控制斷面為拱頂左側(cè)，該斷面所需配筋量為15.1cm2。故明洞襯砌上下緣只要配置大于15.1 cm2的二級(jí)鋼筋，就能滿足受力要求1.         設(shè)計(jì)體會(huì)龍峰溪隧道于2003年底開(kāi)工，并于2005年初順利貫通，當(dāng)年年底正式通車，通過(guò)對(duì)該隧道的設(shè)計(jì)分析及施工過(guò)程的追蹤觀察，總結(jié)以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）圍巖大部分屈服區(qū)在明洞臨時(shí)邊坡開(kāi)挖就已形成，后續(xù)左暗洞開(kāi)挖施工將引起左拱腰及地表屈服區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)展，但范圍相對(duì)較小。因此，明洞臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定是隧道